CAN zdobywa popularność w przemyśle

Magistrala CAN w służbie dużych mocy  na zdjęciu przetworniki częstotliwości RD 500 firmy Bosch-Rexroth o mocach 1,5kW do 650kW, które sterowane mogą być poprzez magistralę standardu CANOpen (źródło: Bosch Rexroth).

Technologia CAN, która swoją popularność zawdzięcza głównie aplikacjom motoryzacyjnym, trafia obecnie coraz częściej pod strzechy zakładów przemysłowych. Za pomocą magistrali CAN łączy się urządzenia sterujące z wykonawczymi, jak też stosuje się ją do zestawiania komunikacji pomiędzy czujnikami, sterownikami i układami rejestrującymi. Rosnąca popularność CAN sprawia, że prowadzone są liczne prace mające na celu zwiększenie wydajności tej magistrali i ułatwienie jej implementacji w przemyśle. W artykule omawiamy najważniejsze trendy, opisując te cechy CAN, które są dla automatyków najistotniejsze.

Technologia CAN (Controller Area Network), która została opracowana w latach osiemdziesiątych przez firmę Bosch na potrzeby komunikacji w pojazdach, jest standardem multipleksowanej magistrali szeregowej. Pierwotnym celem jej rozwoju było poprawienie funkcjonalności i uproszczenie złożonego okablowania stosowanego do przesyłania danych pomiędzy urządzeniami elektronicznymi w samochodach. Działanie CAN opiera się na mechanizmie identyfikacji wysyłanych wiadomości zgodnie z ich zawartością, a nie, w odróżnieniu od innych systemów magistralowych, zgodnie z adresem węzła nadawczego lub odbiorczego. Innymi słowy komunikacja ma charakter rozgłoszeniowy, a węzły sieci odbierają i przetwarzają wiadomości bazując na ich ważności oraz priorytecie. Tego typu adresowanie zwiększa elastyczność systemu z CAN, pozwalając na łatwe dodawanie nowych urządzeń do istniejących sieci bez konieczności stosowania dodatkowych urządzeń lub modyfikacji oprogramowania. Powyższe, jak też inne cechy CAN sprawiły, że awansowała ona z pozycji magistrali przeznaczonej dla pojazdów do technologii popularnej w przemyśle i określonej przez międzynarodowy standard ISO 11898.

Zalety sieci CAN zapewniają jej popularność

Łatwość stosowania CAN oraz jej niezawodność przełożyły się w ciągu ostatnich lat na wzrost popularności tej technologii w zastosowaniach przemysłowych. Według najnowszych analiz firmy AMI Semiconductors globalnie powyżej 20% systemów z CAN jest zaimplementowanych w sektorze przemysłowym. W Polsce w zastosowaniach przemysłowych CAN jest, po sieciach opartych o Profibus, jednym z popularniejszych standardów przemysłowych sieci komunikacyjnych. CAN wykorzystywana jest m.in. w zakładach przemysłowych, w automatyce budynkowej oraz magazynowaniu. Sieci tego typu znajdują zastosowanie w automatyzacji ciągów produkcyjnych, systemów maszyn, drukarek, pieców, chłodni i w innych aplikacjach (patrz ramka). Ponieważ w ostatnich latach układy interfejsów CAN integrowane są coraz częściej w układach mikroprocesorowych, pozwala to na ułatwione dodawanie możliwości tego typu komunikacji w przypadku sterowników, czujników i innych podzespołów automatyki przemysłowej.

W wymienionych powyżej przypadkach wykorzystywane są najczęściej specjalizowane sieci oparte na protokole CAN, głównie CANOpen iDeviceNet, które opisane zostały poniżej. Według CAN in Automation (CiA), międzynarodowego stowarzyszenia użytkowników i producentów urządzeń wykorzystującychCANOpen, popularność tego protokołu w Europie rośnie – jest on stosowany w sterowaniu w przemyśle oraz w automatyce budynków. W przypadku DeviceNet zakres zastosowań jest równie szeroki, choć typową aplikacją tej technologii jest transmisja danych z czujników pomiarowych. Przyporządkowując DeviceNet pod kątem geograficznym, jej zastosowania są częstsze w krajach Ameryki Północnej niż na Starym Kontynencie.

O popularności CAN świadczą dane udostępniane przez organizację CiA, które znajdują się na jej stronie internetowej. Przykładem jest aktualizowany spis produktów z interfejsem CAN czołowych firm światowych, w którym znaleźć można firmy, takiej jak Bosch-Rexroth, Advantech, Balluff czy Schneider Electric. Pod egidą CiA organizowana jest również od 1995 roku międzynarodowa konferencja ICC (International CAN Conference), gdzie poruszane są zagadnienia związane z wdrożeniami CAN w różnych obszarach przemysłu.

Standard CAN od podstaw

Rozpatrując standard CAN zgodnie z siedmiopoziomowym modelem odniesienia OSI, można w nim wyróżnić warstwę łącza danych oraz warstwę fizyczną. Ostatnia jest jednym z krytycznych elementów sieci CAN, musi bowiem charakteryzować się dużą odpornością na zakłócenia występujące w warunkach przemysłowych i szybkością działania. Standardem określającym tę warstwę dla CAN o dużej szybkości przesyłania danych (do 1 Mb/s) jest ISO 11898-2. Zostały określone w nim m.in. funkcje dostępu do nośnika (Medium Access Unit) i niektóre własności interfejsów od niego zależnych (Medium Dependent Interface). Warstwa fizyczna określona została dla urządzeń komunikujących się magistralą dwuprzewodową (skrętka miedziana).

Sterownik SAIA PCD3 z interfejsem sieci Profibus oraz CAN. Na potrzeby tworzenia aplikacji z sieciami CAN firma SAIA-Burgess oferuje również dedykowane do sterownika moduły bibliotek oraz funkcje systemu operacyjnego, które dostarczane są wraz ze środowiskiem projektowym SAIA PG5 oraz STEP 7. Sterownik PCD3 dystrybuowany jest w Polsce przez firmę Sabur (http://www.sabur.pl).

Na poziomie warstwy łącza danych CAN zdefiniowano sposób transmisji danych, którym jest asynchroniczna transmisja szeregowa. W tym przypadku każde urządzenie jest synchronizowane przez wiadomość z innego urządzenia. Elementami, które wpływają na synchronizację, są początek i czas trwania bitu, struktura i czas trwania wiadomości oraz potwierdzenie odbioru (handshaking). Jeżeli chodzi o strukturę ramki danych, najczęściej stosowanymi oobecnie wersjami protokołu CAN są 2.0A (z 11-bitowym identyfikatorem) oraz rozszerzona 2.0B (identyfikator o długości 29-bitów), co określone został w normie ISO 11898-1. Szczegóły tych standardów podano w ramce.

Okablowanie w technologii CAN to podstawa

Jak zasygnalizowano w poprzednim rozdziale, stosowanie technologii CAN w przemyśle wiąże się ze spełnieniem innych wymogów, niż w przypadku pozostałych typowych aplikacji. W zastosowaniach w pojazdach które nie są związane z bezpieczeństwem wykorzystuje się zwykle sieci CAN o niskiej prędkości przesyłania danych (poniżej 500kb/s). Jest to często zbyt mało w przypadku sieci przemysłowych, gdzie zwykle wymagane są prędkości w granicach 1Mb/s, a nawet więcej. W zastosowaniach przemysłowych dane przesyłane są dodatkowo w trudnych warunkach środowiskowych z racji występujących zaburzeń elekromagnetycznych, których źródłem są maszyny elektryczne. Dodatkowo samo okablowanie urządzeń przemysłowych komunikujących się w standardzie CAN, jest w przypadku linii produkcyjnych stosunkowo długie, co ogranicza prędkości przesyłania danych.

Według standardu ISO 11898 długości magistrali CAN może wynosić maksymalnie 40 metrów (oraz po 30 cm dla rozgałęzień). Wartość ta może być zwiększona poprzez odpowiednią rozbudowę sieci – przykładowo – dwie magistrale mogą zostać połączone w celu ich przedłużenia urządzeniem powtarzającym (tzw.repeater). Składają się na niego dwa urządzenia nadawczo-odbiorcze, posiada on wbudowane układy do obsługi protokołu CAN oraz, zwykle, układy zabezpieczające repeater przed uszkodzeniem.

Elektroniczna ochrona przed zakłóceniami w sieci CAN

Ideowa budowa dwuprzewodowej sieci CAN wg ISO 11898-2; rezystory terminujące: R=120 Ohm

Urządzenia z interfejsem CAN powinny charakteryzować się zmniejszoną podatnością elektromagnetyczną (EMS – Electromagnetic Susceptibility), jak też zwiększoną odpornością na wyładowania elektrostatyczne. Jest to możliwe do spełnienia pod warunkiem wykorzystania odpowiednich układów elektronicznych w ich interfejsach, jak też wiąże się z samym standardem CAN. Ten ostatni jest istotny, jeżeli chodzi o odporność na zakłócenia i niezawodność transmisji. Przesyłanie danych w sieciach CAN realizowane jest bowiem poprzez transmisję danych w postaci napięciowego sygnału różnicowego oraz sprzętową kontrolę błędów. Tego typu różnicowe przesyłanie sygnałów jest częstym rozwiązaniem w sieciach przemysłowych, gdyż redukuje wpływ zaburzeń i zakłóceń na przesyłane dane, zwiększając w rezultacie przepustowość sieci. Jest to szczególnie istotne w przypadku wykorzystania CAN w warunkach przemysłowych, gdzie, jak wspomniano, długość okablowania może być znacząca, a duża liczba silników i innych urządzeń elektrycznych może być czynnikiem zakłócającym transmisję. Z tych powodów interfejsy do sieci CAN powinny charakteryzować m.in. odpowiednio dużym tłumieniem sygnału współbieżnego (CMR –Common Mode Rejection). Cechą tych urządzeń powinien być również brak wprowadzania przez nie zakłóceń w przypadku włączenia do działającej sieci, niezależnie od tego, czy są zasilane czy nie.

Jak zbudowana jest ramka komunikatu w CAN? Ramka w standardzie 2.0A Ramka w standardzie 2.0B SOF (Start of Frame) – bit startowy, Pole arbitrażu – 11-bitowy identyfikator (im mniejsza wartość liczbowa, tym priorytet dostępu do magistrali większy) oraz RTR (Remote Transmission Request) - bit żądania zdalnej transmisji - określa czy wiadomość jest ramką danych (Data Frame), czy żądaniem przesłania danych, Pole kontrolne (6 bitów) – informacje o budowie ramki danych: r1 i r0 - bity rezerwowe, DLC (4 bity) – informacja o ilości danych transmitowanych w kolejnym polu, Pole danych o długości 0 (w przypadku ramki zdalnej) do 8 bajtów, Pole CRC (15 bitów) – informacje zabezpieczające transmitowane dane przed błędami oraz bit separatora (Delimiter), Pole ACK (Acknowledge) – potwierdzenie poprawności odebranych danych, EOF (End of Frame) – bit końcowy ramki, INT – trzy recesywne bity jako przerwa oraz czas bezczynności o dowolnej długości (Bus Idle Time). W przypadku standardu CAN 2.0B wyróżnić można dodatkowe elementy składające się na ramkę danych: Wydłużone do 32 bitów pole arbitrażu, SSR (Substitute Remote Request) – bit zastępczego zdalnego żądania - zawarty w polu arbitrażu i zabezpieczający w przypadku arbitrażu pomiędzy ramką standardową (w standardzie 2.0A) a rozszerzoną (w standardzie 2.0B), IDE (Identifier Extension) – informacja o typie (standardzie) ramki.

Rozszerzenia standardu CAN

Ponieważ w standardzie CAN zdefiniowane zostały jedynie warstwa fizyczna i warstwa łącza danych, w celu możliwości łatwej integracji urządzeń automatyki opracowane zostały dodatkowe specyfikacje, w których określono również wyższe warstwy OSI. Wynikało to z potrzeby unifikacji interfejsów urządzeń CAN, które pochodziłyby od różnych producentów, tak aby można było łatwo łączyć je ze sobą. Najpopularniejsze sieci specjalizowane oparte na protokole CAN to CANOpen, DeviceNET oraz SDS (Smart Distributed System).

Protokół CANOpen spopularyzowany został w Europie przez CiA, przy czym pierwsze systemy, w których był on wykorzystywany, przeznaczone były do sterowania windami (standard CiA DSP 417). Później zaczęto stosować go w automatyce budynków, szczególnie w systemach ogrzewania i klimatyzacji oraz mechanizmach kontroli drzwi. Obecnie głównym obszarem wykorzystywania CANOpen są systemy wbudowane oraz systemy sterowania maszynami, w szczególności w procesach produkcyjnych. Wersja CANOpen 4.01 została ponadto standaryzowana normą EN50325-4.

System 2100 firmy Kappa Corrugated (Wielka Brytania) z układami komunikacyjnymi CAN (źródło: http://www.wordsun.com) CAN w maszynach pakujących W maszynie pakująco-paletyzującej System 2100 firmy Kappa Corrugated zastosowano system sterowania w którym do komunikacji z układami wykonawczymi wykorzystana została magistrala CAN. Kartony w momencie rozpoczęcia procesu pakowania są automatycznie indeksowane, następnie przesuwane z zasobnika. W kolejnym etapie są one zaginane oraz klejone do postaci opakowań.

Tym, co szczególnie zasługuje na uwagę, jest rozszerzenie specyfikacji CANOpen o elementy pozwalające na stosowanie tego protokołu w systemach bezpieczeństwa. W tym celu opracowany został przez CiA standard CANOpen Safety, w którym zdefiniowano sposób komunikacji spełniający dodatkowe wymagania systemów bezpieczeństwa.

Rozszerzenia standardu CAN - DeviceNet i SDS

Kolejnym z wymienionych rozszerzeń standardu CAN jest DeviceNet. Specyfikacja tego protokołu jest wynikiem połączenia cech standardu CAN z protokołem CIP (Common Industrial Protocol), który opracowany został w 1994 roku przez firmę Allen-Bradley. Protokół DeviceNet określa sposób komunikacji na poziomie warstwy aplikacji pomiędzy połączonymi w sieć urządzeniami przemysłowych systemów sterowania. Przykładami zastosowań urządzeń z DeviceNet są elementy systemów przemysłowych, takie jak wyłączniki krańcowe, przetworniki fotoelektryczne, czytniki kodów kreskowych, ale też falowniki czy panele operatorskie. Obecnie za rozwój DeviceNet odpowiada stowarzyszenie ODVA (Open DeviceNet Vendor Association).

Ostatnim z wymienionych rozwiązań, które powstały na bazie CAN, jest opracowany w 1989 przez firmę Honeywell standard SDS (Smart Distributed System). Podstawowymi elementami sieci zgodnymi z tym standardem są czujniki zintegrowane z urządzeniami nadawczo-odbiorczymi, przy czym zwykle są to tzw. czujniki inteligentne, a więc posiadające dodatkowe funkcje, takie jak możliwość komunikacji sieciowej i zdalnej konfiguracji. W sieciach SDS ułatwiona jest również implementacja funkcji diagnostycznych. SDS zdobył popularność głównie w USA, gdzie wykorzystywany jest np. w automatyzacji linii produkcyjnych w firmie Dell oraz w systemach sortujących US Postal Service.

Stosowanie gotowych rozwiązań dla sieci CAN

Kończąc warto podkreślić, że coraz więcej dostępnych na rynku urządzeń pomiarowych i sterujących wyposażonych jest w interfejsy sieci CAN. Do zalet takich rozwiązań należy względna prostota ich wdrażania, możliwość dołączania urządzeń do sieci w trybie plug-and-play oraz ich niski koszt, co przy złożonych projektach może być znaczącym czynnikiem. Ugruntowanie technologii CAN w obszarze techniki pojazdowej przekłada się dodatkowo na dostarczanie projektantom automatyki przemysłowej wielu sprawdzonych narzędzi i usług oferowanych przez firmy działające na rynku, co może przyspieszać rozwój aplikacji bazujących na CAN. Dochodzi do tego szybki postęp w rozwoju technologii układów elektronicznych i scalonych - obecnie interfejs CAN i mikroprocesor są dostępne jako jeden układ scalony, co pozwala na korzystanie z dobrodziejstw CAN w przypadku coraz większej liczby czujników, sterowników czy urządzeń wykonawczych.

Jakub Możaryn